(a) Schematiskt diagram över generering av synkrotronstrålning av undulatorer. Tidsbredder för strålningspulser bestäms av den rumsliga breddningen av elektronknippen. (b) Strålningspulsen innehåller många korta vågor (vågpaket) som emitteras av enskilda elektroner. I föreliggande studie, två undulatorer är anordnade i serie för att generera par av vågpaket. Varje vågpaket svänger endast 10 gånger på 2 femtosekunder. Tidsintervallen för vågpaketparen justeras genom att omväga elektronknippen med en magnet mellan de två undulatorerna. Kredit:NINS/IMS
Forskare i Japan har observerat och stört den ultrasnabba rörelsen av elektronrörelser inuti en xenonatom med hjälp av de sammanhängande paren av korta ljusvågor i synkrotronstrålning. Xenon, som består av en kärna omgiven av fem kapslade skal som innehåller totalt 54 elektroner, används i blixtlampor, och det brinner starkt och snabbt. De självlysande elektronerna rör sig dit på en tidsskala av en miljarddels sekund. Den snabba elektronrörelsen är dock sex storleksordningar långsammare än vad forskarna observerade. Med hjälp av synkrotronanläggningen vid Institutet för molekylär vetenskap, de spårade elektronrörelsen i avslappning för att sprida energi genom att falla från ett yttre skal till ett inre skal. Processen sker på en tidsskala av femtosekunder, eller en miljondels miljarddels sekund. En femtosekund är till en sekund som en sekund är till nästan 32 miljoner år. Förmågan att observera och kontrollera sådana ultrasnabba processer kan öppna dörren till nästa generations experiment och tillämpningar, enligt forskarna.
Resultaten publicerades den 17 mars i Fysiska granskningsbrev .
"Att kontrollera och undersöka den elektroniska rörelsen i atomer och molekyler på deras naturliga tidsskala av attosekunder - som är en tusendel av en femtosekund - är en av gränserna inom atomfysik och attosekundsfysik, " sa pappersförfattaren Tatsuo Kaneyasu, forskare vid SAGA Light Source, Kyushu Synchrotron Light Research Center i Japan. "I den här studien, Vi visade att ultrakorta processer i atomer och molekyler kan spåras med hjälp av ultrakorta egenskapen hos strålningsvågpaketet."
De senaste framstegen inom laserteknik gör det möjligt för oss att producera ultrasnabb, eller ultrakort, dubbla ljuspulser som kan interagera med subatomära processer. Denna störning kan kontrolleras genom att exakt ställa in tiden mellan varje puls. Pulsen exciterar elektroner, vars rörelse kallas ett elektronvågspaket. Kaneyasu och hans team har uppnått denna teknik med hjälp av synkrotronstrålning som har en stor fördel när det gäller att generera fotoner med högre energi än de med laser.
Den övre panelen visar fluorescensintensiteten från det inre skalets exciterade tillstånd av xenonatomer mätt med växlande tidsintervall för vågpaketparen. Nedre paneler visar förstorade vyer vid positionerna a och b i den övre panelen. Fluktuationer med en period av 63 attosekunder observeras på grund av interferenseffekten mellan kvanttillstånden som exciteras av vågpaketparen. När tidsintervallet mellan de två vågpaketen i ett par ökar, amplituden av fluktuationen avtar på grund av elektronisk relaxation av de exciterade tillstånden i det inre skalet. Kredit:NINS/IMS
"Den här metoden, kallas "vågpaketinterferometri, "är nu ett grundläggande verktyg för att studera och manipulera materiens kvantdynamik, " Sa Kaneyasu. "I den här studien, elektronvågspaketet producerades genom att överlagra några elektroniska tillstånd i en xenonatom."
Ungefär som två överlappande strålar som producerar ett mer intensivt ljus än var för sig avger, två överlappande elektronvågspaket ger kvanteffekter.
"Det slutliga målet är att kontrollera och undersöka den ultrasnabba elektroniska rörelsen av ett brett spektrum av element, inte bara i atomerna och molekylerna i gasfas utan också i de kondenserade ämnena, " Sa Kaneyasu. "Denna nya förmåga för synkrotronstrålning hjälper inte bara forskare att studera ultrasnabba fenomen i atomära och molekylära processer, men kan också öppna upp för nya applikationer i utvecklingen av funktionella material och elektroniska enheter i framtiden."
